KR100956415B1

KR100956415B1 - 고분자 구형입자의 제조방법

Info

Publication number: KR100956415B1
Application number: KR1020080055707A
Authority: KR
Inventors: 이진호; 오세행; 임성묵
Original assignee: 이진호
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2010-05-06
Also published as: KR20090129669A

Abstract

본 발명은 고분자 구형입자의 제조방법 및 고분자 구형입자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불균일한 형태의 고분자 입자를 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스 내에 균일하게 혼합, 분산시킨 후, 졸 상태인 상기 고분자 매트릭스를 겔화시켜 분산된 고분자 입자들을 겔상의 매트릭스 내에 안정하게 위치시킨 후, 상기 고분자 입자의 용융점 이상의 온도로 가열하여 불균일한 형태의 고분자 입자가 겔상의 매트릭스 내에서 이웃한 입자와의 접촉없이 용융과 동시에 열역학적으로 안정한 구형입자를 형성시킨 후, 냉각 및 용액상 고분자 매트릭스의 제거를 통해 제조되는 구형입자로써, 종래의 다른 구형입자에 비해 제조가 매우 간단하며, 구형 입자크기를 손쉽게 조절할 수 있고, 원하는 크기의 구형입자를 매우 높은 수율로 얻을 수 있으며, 유기 용매를 사용하지 않고서도 제조가 가능하다.

구형입자, 고분자 매트릭스, 주사주입형, 생분해성 고분자, 조직공학

Description

고분자 구형입자의 제조방법{Manufacturing method of polymeric microspheres}

본 발명은 불균일한 형태의 고분자 입자를 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스(용액) 내에 균일하게 혼합, 분산시키고, 졸상의 고분자 매트릭스를 겔화시켜 분산된 고분자 입자들을 겔상의 매트릭스 내에 안정하게 위치시킨 후, 고분자 입자의 용융점 이상의 온도로 가열하여 불균일한 형태의 고분자 입자가 겔상의 매트릭스 내에서 이웃한 입자와의 접촉 없이 용융과 동시에 열역학적으로 안정한 구형입자를 형성시킨 후, 냉각 및 용액상 고분자 매트릭스의 제거를 통해 제조되는 구형입자로써, 종래의 다른 구형입자에 비해 제조가 매우 간단하며, 원하는 크기의 구형입자를 매우 높은 수율로 얻을 수 있으며, 유기 용매를 사용하지 않고 제조가 가능한 구형입자와 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

조직공학(tissue engineering)이란 1988년 캘리포니아에서 개최된 최초의 조직공학 심포지엄에서 제정되었듯이, 생명과학과 공학의 기본 개념과 기술을 통합 응용하여 생체조직의 구조와 기능 사이의 상관관계를 이해하고 나아가서 생체조직의 대용품을 만들어 이식함으로서 우리 몸의 기능을 유지, 향상 또는 복원하는 것을 목적으로 하는 응용 학문이다. 조직공학에서 중요한 요소는 무엇보다도 필요한 조직을 배양하기 위한 적절한 세포의 선택, 조직 형성의 틀을 제공하는 생체 분해성 재료, 조직공학 기법에 의해 제조되어진 인공장기가 이식되어질 생체 내의 환경이라고 할 수 있다. 조직공학에 사용되어질 세포는 건강해야 함은 필수이고, 세포 고유의 기능을 잘 수행해야 할뿐만 아니라 다음의 여러 요소도 갖추어야 한다. 세포 외 기질의 분비 기능과 다른 세포 혹은 생체재료와 상호 작용하여 3차원적인 조직 형태가 가능하여야 한다. 또한, 세포를 체외에서 배양할 수 있을 만큼 충분한 양의 확보가 중요하며, 면역학적 거부반응을 잘 고려하여 자가 혹은 이종 세포의 신중한 선택이 중요하다고 할 수 있다.

다음으로, 조직공학에서 중요한 요소는 조직 형성의 틀을 제공하는 생분해성 재료이다. 1960년경 폴리락틱산(poly(lactic acid), PLA), 폴리글리콜산 (poly(glycolic acid), PGA) 등의 생분해성 고분자의 합성법 발견 당시에는 가공이 어렵고, 가공 중 혹은 사용 중에 생분해됨으로써 물성이 변하는 단점으로 등한시 여겨졌으나, 최근 조직공학에서 재료의 생분해성이 중요한 역할을 할 수 있음을 알게 된 이후 활발히 연구가 진행되어 왔다. 특히, 이들 생분해성 고분자는 미국 식품의약청(FDA)에서 인체 내 사용 가능한 무독성 고분자로 승인 받은바 있다.

조직공학에서 생분해성 고분자 재료가 갖추어야 할 주 요건은 세포가 재료 표면에 점착하여 3차원적 구조를 가진 조직을 형성할 수 있도록 틀의 역할을 충분 히 해내야 하며, 이식된 세포가 지지체 내에 고르게 점착되어 생분해성 고분자 재료가 일정기간 경과 후 분해되어 없어진 후에도 제 형태를 유지할 수 있어야 한다. 특히, 세포가 지지체 내에 고르게 점착하고 괴사 없이 잘 자라야 함은 조직공학의 성패에 관련된 매우 중요한 요소이다.

또한, 조직공학에서 중요한 요소는 인공장기가 이식되어질 생체내의 환경이다. 배양된 세포와 고분자 재료가 체내에 이식이 되면 체외와는 전혀 다른 생화학적, 물리적 환경에 놓이게 되는데, 생화학적 환경을 결정짓는 요소는 이식물이 위치하는 장소와 생체재료의 투과성, 물질 수송력이라고 할 수 있다. 이식물이 위치하는 주위환경은 세포의 생존율과 기능에 중요한 역할을 하므로 신중히 고려되어야 한다. 세포는 주위의 산소나 영양분의 공급이 충분해야 잘 성장할 수 있는데, 인공 생체조직 내에서 가장 내부에 위치한 세포들은 이러한 공급원들로부터 가장 멀리 위치하게 되어 성장에 불리한 상태에 놓이게 된다. 따라서 생체재료의 투과성을 적절히 조절하거나, 그 재료의 투과성에 따라 주위환경을 바꾸어 주어야 한다.

생분해성 고분자로 제조된 다공성 지지체는, 원하는 세포로부터 조직을 재생하고 이를 인체 내에 이식하여 손상된 장기의 기능 및 형태를 유지, 복원하는 조직공학의 급속한 발전에 지대한 역할을 하여왔다. 지지체 내에서 균일한 세포 분포 정도와 배양액의 원활한 공급은 조직공학에 있어서 성공과 실패를 결정하는 중요한 인자로 인식되고 있다.

일반적으로 다공성 지지체에 이용되는, FDA에서 인체 사용이 허가된 생분해 성 고분자는 다공질 표면이 소수성일 뿐만 아니라, 디스크 형태를 띠고 있으므로 여기에 세포를 배양할 경우, 고분자 지지체의 내부로 배양액이 원활히 공급되지 못하여 세포의 괴사가 발생되는 현상이 관찰되고 있으며, 또한 실제 환자에게 시술 시에도 복잡하고 번거로운 외과수술이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존의 디스크형 지지체를 탈피하여, 주사주입이 가능할 정도의 마이크로 단위의 크기를 가지는 구형입자(입자의 크기가 작으므로 외과적 수술 없이 체내이식이 가능한 장점을 가짐)에 대한 관심이 집중되었고, 고분자를 용해시킨 용액과 수용액을 혼합하여 유화용액을 만들고 용매를 증발시키는 O/W 유화 용매 추출/증발법(Organic/Water emulsion solvent extraction/evaporation method), 수용액을 고분자 용액에서 유화용액을 만들고 이를 다시 수용액에서 유화시켜 용매를 증발시키는 W/O/W 유화 용매 추출/증발법(W/O/W emulsion solvent extraction/evaporation method), 고분자 용액을 비용매에 침전시키는 침전법(precipitation method), 고분자를 유기용매에 녹이고 노즐을 통해 분사함과 동시에 뜨거운 공기를 이용해 급속히 건조시키는 분사 건조법 (spray drying method), 용융된 고분자를 적당한 medium에 분산시킨 후 서서히 냉각시켜 제조하는 용융법 (hot melt technique)등을 이용한 구형입자의 제조에 관한 연구와 이를 다양한 조직공학 분야(인공피부, 인공연골, 골 충진제, 성형 보형물, 요실금 치료제 등)로의 응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 집중적인 연구와 필요성에도 불구하고 기존에 제조되고 있는 고분자 구형입자는 제조하는 과정에서 사용된, 인체 독성을 나타내는 유기용매의 완벽한 제거가 매우 힘들며, 구형 입자 의 크기 조절이 어렵고 더욱이 원하는 크기의 입자에 대한 수득율이 매우 낮은 것으로 알려져 있는 바, 원하는 크기의 고분자 구형입자를 선택적으로 얻을 수 있는 제조방법 및 높은 수득률을 갖는 고분자 구형입자의 제조방법 등에 대한 개발이 시급한 실정이다.

이에 본 발명자들은 기존의 고분자 구형입자 제조 시 발생하는 잔여 유기용매, 고분자 구형입자의 불균일한 입자크기 및 낮은 수득율 등의 문제를 해결하기 위하여 끊임없이 연구와 노력을 한 결과, 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스를 이용하여 졸 상태의 상기 고분자 매트릭스 내에 불균일한 모양과 크기를 갖는 고분자 입자를 분산시킨 후, 상기 졸 상태의 고분자 매트릭스를 겔 상태로 상전이를 시키면 매트릭스 내부에서 고분자 입자의 안정화 및 균일한 분포가 가능하며, 상기 분산된 고분자 입자의 용융점 이상으로 열을 가하면, 균일한 크기의 분포를 갖는 구형입자를 얻을 수 있다는 것을 실험을 통하여 안출하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 균일한 크기를 갖는 고분자 구형입자를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 불균일한 형태의 고분자 입자와 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 1 : 10 ~ 100 중량비로 혼합하여 졸상의 고분자 매트리스 내에 고분자 입자를 분산시키는 제 1 단계; 상기 고분자 입자가 내부에 분산된 졸상의 고분자 매트릭스를 겔화시키는 제 2 단계; 상기 겔화된 고분자 매트릭스 내부에 분산된 고분자 입자를 용융시켜서, 불규칙한 형태의 고분자 입자를 구형화시키는 제 3 단계; 및 상기 구형화된 고분자 입자가 내부에 분산된 겔화된 고분자 매트릭스를 재졸화(용액화)시키는 제 4 단계; 및 상기 재졸화된 고분자 매트릭스로부터 고분자 구형입자를 분리 및 건조시키는 제 5 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 균일한 크기를 갖는 고분자 구형입자를 제공하는데 그 목적이 있다.

앞서 소개한 제조방법은 기존의 고분자 구형입자의 제조방법과는 달리, 인체 독성을 지닌 유기용매의 사용이 없다는 장점이 있으며, 얻고자 하는 고분자 구형입자의 크기 조절이 가능할 뿐만 아니라, 특히 매우 높은 수득율로 균일한 크기를 갖는 고분자 구형입자를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 나아가, 이와 같은 장점을 지닌 본 발명의 제조방법으로 제조된 고분자 구형입자는 고분자를 이용하는 화학분야, 반도체 분야 등 여러 분야에 폭 넓게 응용이 가능하며, 특히 인공피부, 인공연골, 골 충진제, 성형 보형물 등을 제조하는 조직공학 분야에 그 응용이 가능하다.

이와 같은 본 발명에 대하여 자세하게 설명을 하면 아래와 같다.

본 발명의 고분자 구형입자를 제조하는 방법은

균일한 형태의 고분자 입자와 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 1 : 10 ~ 100 중량비로 혼합하여 졸상의 고분자 매트리스 내에 고분자 입자를 분산시키는 제 1 단계;

상기 고분자 입자가 내부에 분산된 졸상의 고분자 매트릭스를 겔화시키는 제 2 단계;

상기 겔화된 고분자 매트릭스 내부에 분산된 고분자 입자를 용융시켜서, 불규칙한 형태의 고분자 입자를 구형화시키는 제 3 단계; 및

상기 구형화된 고분자 입자가 내부에 분산된 겔화된 고분자 매트릭스를 재졸화(용액화)시키는 제 4 단계; 및

상기 재졸화된 고분자 매트릭스로부터 고분자 구형입자를 분리 및 건조시키는 제 5 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 고분자 입자가 포함된 매트릭스를 "고분자 입자-매트릭스"로 칭한다.

본 발명을 더욱 구체적으로 설명을 하면,

상기 고분자 입자는 불균일한 형태로 분쇄된 고분자 입자로서, 상기 고분자입자는 전도성 또는 비전도성 고분자 입자, 금속성 또는 비금속성 고분자 입자, 생분해성 고분자 입자 등을 그 응용분야에 따라서 선택하여 사용이 가능하다.

특히, 조직공학 분야에서 본 발명을 사용하는 경우에는 생분해성 고분자를 사용하는데, 이 경우, 상기 생분해성 고분자는 인체 사용을 목적으로 하는 바, 생체적합성을 지녀야 한다. 본 발명에 사용될 수 있는 생분해성 고분자를 특별히 한정하지는 않으나, 상기 생분해성 고분자는 중량평균분자량이 1,000 ~ 1,000,000 g/mol, 바람직하게는 1,000 ~ 500,000 g/mol인 것을 사용하는 것이 좋은데, 이는 상기 중량평균분자량이 1,000 g/mol 미만이면 물성이 너무 약한 문제가 발생할 수 있고, 1,000,000 g/mol 초과되면 용융 시 점도가 너무 높아 구형입자 형성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

상기 생분해성 고분자는 락틱산, 글리콜산, 카프로락톤, 다이옥산온, 하이드록시부티릭산, 하이드록시발러릭산, 포스포에스터, 및 에틸렌 옥사이드 중에서 선택된 단종을 중합시킨 단일 중합체 또는 2 종 이상을 중합시킨 공중합체를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리락틱산(poly(lactic acid)), 폴리글리콜산(poly(glycolic acid)), 폴리카프로락톤(poly-ε-caprolactone), 폴리다이옥산온(polydioxanone), 폴리하이드록시발러릭산(polyhydroxy-valeric acid), 폴리락틱산-글리콜산 공중합체(poly(lactic acid-co-glycolic acid)), 폴리다이옥산온-카프로락톤 공중합체(polydioxanone-co-ε-caprolactone)), 폴리락틱산-카프로락톤 공중합체(poly(lactic acid-co-ε-caprolactone)), 폴리하이드록시부티릭산-하이드록시발러릭산 공중합체(polyhydroxybutyric acid-co-hydroxyvaleric acid), 폴리포스포에스터(poly(phosphoester)), 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체중에서 선택된 단종 또는 2종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

상기 불규칙한 형태를 갖는 고분자 입자는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 분쇄기(mill) 혹은 동결 분쇄기(freezer mill)등을 이용하여 전도성 또는 비전도성 고분자 입자, 금속성 또는 비금속성 고분자 입자, 생분해성 고분자 입자 등을 분쇄하여 제조하는데, 이때, 상기 고분자 입자는 평균직경이 0.1㎛ ~ 3,000㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ ~ 2,000㎛ 인 것을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 고분자 입자가 0.1㎛ 미만이면 입자크기가 너무 작아서 불규칙한 고분자 입자를 선별하기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 3,000㎛ 초과시 입자 크기가 너무 커서 본 발명의 제조방법으로 구형입자를 제조하기에는 비경제적인 문제가 발생할 수 있기 때문에 상기 범위 내의 직경을 갖는 고분자 입자를 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서 사용되는 고분자 매트릭스는 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스로서, 상기 제 1 단계에 있어서, 상기 고분자 입자와 졸상의 고분자 매트릭스 수용액의 혼합비는 1 : 10 ~ 100 중량비, 더욱 바람직하기로는 1: 30 ~ 70 중량비를 갖는 것이 좋은데, 여기서, 중량비가 1 : 10 중량비 미만이면 고분자의 용융과정에서 입자끼리 서로 접촉하여 균일한 크기의 입자 형성을 방해하는 문제가 있고, 중량비가 100 중량비를 초과하면 상전이 고분자 매트릭스를 불필요하게 낭비하게 된다.

이하에서 본 발명에 사용되는 상기 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스에 대하여 자세하게 설명을 하면 다음과 같다.

[졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스]

본 발명에 있어서, 일반적인 고분자 매트릭스가 아닌 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스를 사용하는 이유는 상기 불규칙한 모양과 크기를 갖는 고분자 입자들을 안정화시키기 위한 것으로서, 즉, 일반적인 고분자 매트릭스에 불규칙한 고분자 입자를 분산시키면, 고분자 입자들이 가라앉거나 고분자 매트릭스 내에 불균일하게 분포하게 되고, 이런 상태에서 고분자 입자에 열을 가하게 되면, 매트릭스 수용액 내에서 이웃한 고분자 입자간의 접촉으로 인하여 구형입자를 만들기 매우 힘들 뿐만 아니라, 구형입자의 수득율 또한 매우 낮아지기 때문이다. 따라서, 본 발명은 졸 상태의 고분자 매트릭스 수용액에 고분자 입자를 혼합한 후, 이를 겔 상태로 상전이 시킴으로써, 균일하게 분포된 고분자 입자를 그 분포도를 유지하도록 할 수 있도록 하였고, 이렇게 고분자 입자가 최초 위치를 유지한 상태에서 고분자 입자의 용융점 이상으로 열을 가하여 구형입자를 제조함으로써, 매트릭스 내에서 이웃한 고분자 입자간의 접촉을 방지 및 차단하여 구형입자의 수득율을 증가시킬 수 있는 것이다.

상기 제 1 단계의 졸상의 고분자 매트릭스 수용액의 고분자 매트릭스는 중량평균분자량 1,000 g/mol ~ 1,000,000 g/mol를 갖는 고분자로서, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 공중합체(Pluronic series), 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체, 알긴산, 하이알룬산, 카르복시메틸셀룰로우스 및 덱스트란 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스는 온도에 의하 여 또는 가교제에 의하여 졸상에서 겔상으로 상전이 되는 것을 사용할 수 있는데, 우선 온도에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스에 대하여 자세하게 설명을 하겠다.

온도에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스

온도에 의해 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스는 고분자 매트릭스의 종류 따라서 졸-겔 상전이 온도가 변화를 갖는 것을 의미하는데, 상기 졸-겔 상전이 온도는 고분자 매트릭스의 농도 및 그 구성비에 따라서 온도 조절이 가능하며, 그 구체적인 예는 아래에서 설명을 하겠다.

온도에 의해 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스를 사용할 때는 중량평균분자량 1,000 ~ 500,000 g/mol인 고분자 매트릭스를 사용하는 것이 바람직하며, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드(PEO-PPO) 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 공중합체로 포함하는 고분자 매트릭스를 사용하는 것이 좋다.

상기 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 공중합체는 플루로닉 시리즈(Pluronic series, BASF, USA)를 사용할 수 있는데, 구체적으로는 플루로닉 F-38, 플루로닉 F-68, 플루로닉 F-77, 플루로닉 F-87, 플루로닉 F-88, 플루로닉 F-98,플루로닉 F-108 및 플루로닉 F-127 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

온도에 의해 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스는 졸-겔 상전이 온도 미 만에서는 졸상을 그리고 졸-겔 상전이 온도 이상에서는 겔상을, 그리고 일정온도 이상에서는 다시 졸상이 되는 특징이 있다.

졸-겔 상전이 온도는 고분자 매트릭스의 농도 및 그 구성비에 따라서 온도 조절이 가능하다. 예를 들면, 플루로닉 F-127 및 플루로닉 F-68로 구성된 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드(PEO-PPO) 공중합체 고분자 매트릭스를 이용하는 경우, 상기 PEO-PPO 공중합체의 농도가 증가하면 졸-겔 상전이 온도가 내려가며, PEO-PPO 공중합체가 동일 농도인 경우, 플루로닉 F-127 및 플루로닉 F-68의 중량비에 있어서, 플루로닉 F-127의 중량비가 증가하면, 졸-겔 상전이 온도가 내려가고, 플루로닉 F-68의 중량비가 증가하면, 졸-겔 상전이 온도가 증가하는 것을 도 4를 통하여 알 수 있다[Oh et al., J. Biomed. Mater. Res., 72A, 306 (2005)].

온도에 의해 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스 수용액을 사용하는 경우에는 수용액 전체 중량에 대하여 고분자 매트릭스 1 ~ 50 중량%, 더욱 바람직하게는 10 ~ 30중량%를 함유하고 있는 것을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 고분자 매트릭스가 1 중량% 미만이면 졸-겔 상전이가 나타나지 않는 문제가 있고, 50 중량% 초과 시 시료의 점도가 높아 분쇄된 입자와의 균일한 혼합이 어려운 문제가 있기 때문에 상기 범위 내의 고분자 매트릭스를 함유하고 있는 고분자 매트릭스 수용액을 사용하는 것이 좋다.

가교에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스

상기 제 1 단계의 졸상의 고분자 매트릭스 수용액은 가교제를 포함하는 것을 사용할 수 있는데, 이 경우 상기 수용액의 고분자 매트릭스는 중량평균분자량 10,000 g/mol ~ 1,000,000 g/mol, 더욱 바람직하게는 30,000 g/mol ~ 800,000 g/mol를 갖는 것을 사용할 수 있다. 상기 졸상의 고분자 매트릭스 수용액이 가교제를 포함하는 경우에는 알긴산, 하이알룬산, 카르복시메틸셀룰로우스 및 덱스트란 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 고분자 매트릭스를 사용하는 것이 좋다.

여기서, 상기 가교제로는 Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 양이온; 또는

키토산(chitosan), 글루타르알데히드(glutaraldehyde), 포르말린(formalin) 및 폴리-엘-라이신(poly-L-lysine) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 것;을 포함하는 가교제를 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 가교에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스 수용액을 사용하는 경우, 수용액 전체 중량에 대하여 가교에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스 0.1 중량% ~ 10 중량%, 더욱 바람직하게는 0.4 중량% ~ 4 중량% 함유하는 수용액을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 0.1 중량% 미만이면 가교된 매트릭스의 물성이 너무 약하여 분쇄된 입자를 각각의 독립된 공간에 분리시키지 못하는 문제가 있고, 10 중량% 초과 시 시료의 점도가 높아 분쇄된 입자와의 균일한 혼합이 어려운 문제가 있다.

또한, 제 1 단계에 있어서, 상기 졸상의 고분자 매트릭스 수용액의 고분자 매트릭스를 가교에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스를 사용하는 경우, 고분자 매트릭스를 수용액 전체 중량에 대하여 가교제 0.01 중량% ~ 20 중량%, 더욱 바람직하게는 0.3 중량% ~ 5 중량%를 함유한 것을 사용하는 것이 좋다. 이때, 가교제 함유량이 0.01 중량% 미만이면, 가교를 형성하지 못하는 문제가 있고, 20 중량% 초과 시 필요 이상의 가교제 사용에 의한 가교제 낭비의 문제가 있다.

제 2 단계에 있어서, 앞서 설명한 바와 같이 고분자 입자-매트릭스 수용액을 졸상에서 겔상으로 상전이를 시키기 위해서는 온도를 졸-겔 상전이 온도로 높이거나, 상기 수용액이 가교제를 수용액 전체 중량에 대하여 0.1 중량% ~ 10 중량% 함유하도록 첨가하면 된다.

제 3 단계에 있어서, 고분자 입자를 용융시키기 위하여 고분자 입자의 용융점 이상으로 열을 가하면 되는데, 이 온도는 사용되는 고분자 입자의 용융점 보다 5℃ ~ 50℃, 더욱 바람직하게는 5℃ ~ 15℃ 정도 초과하여 가온, 유지시키는 것이 좋다. 여기서, 상기 5℃ 미만으로 가열시 고분자 입자가 불완전하게 용융될 수 있으며, 상기 50℃ 초과하여 너무 높은 열을 가하면, 고분자가 열분해 및 겔상의 고분자 매트릭스가 다시 졸상의 매트릭스로 되는 문제점이 있기 때문에 상기 범위 내에서 열을 가열하는 것이 좋다. 그리고 제 3 단계에 있어서, 고분자 입자의 용융점 이상의 온도로 가온시켜도 졸상에서 겔상으로 이미 상전이한 고분자 매트릭스가 상기 고분자 입자를 용융시키기 위한 온도 범위에서는 다시 졸상으로 변하지 않는다는 것에 본 발명의 특징이 있다.

제 4 단계에 있어서, 고분자 매트릭스는 냉각(온도에 의한 상전이 매트릭스 사용시) 혹은 가교해체제(가교에 의한 상전이 매트릭스 사용시)에 의해 겔상의 고분자 입자-매트릭스 수용액을 다시 졸상의 고분자 입자-매트릭스 수용액으로 변화시킨다.

이때, 상기 가교해체제는 소디움시트레이트, 소디움클로라이드, 소디움바이카보네이트, 소디움포스페이트 및 소디움하이드록사이드 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

제 5 단계에 있어서, 재졸화(용액화)된 고분자 매트릭스를 세척하여 고분자 구형입자를 분리시키고, 분리된 고분자 구형입자를 건조시킴으로써, 얻고자 하는 균일한 크기의 고분자 구형입자를 제조할 수 있다. 이때, 상기 세척, 분리 및 건조는 해당분야에 사용되는 일반적인 방법의 사용이 가능하며, 특별히 한정하지는 않는다.

위와 같이 제 1 단계 ~ 제 5 단계를 통하여 높은 수득율로 균일한 크기를 갖는 고분자 구형입자를 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기 본 발명의 고분자 구형입자는 그 제조방법에 있어서, 인체 독성을 나타내는 유기용매를 전혀 사용하지 않는 장점이 있고, 균일한 입자크기를 가지기 때문에 주사주입을 통해 손쉽게 적용부위에 도입이 가능하므로, 조직공학용 지지체 및 다양한 필러(filler; 성형보형물, 요실금 치료용 bulking agent 등)로서 매우 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 미세크기의 고분자 구형입자를 필요로 하는 화학분야, 전기, 전자 분야 등에도 그 응용이 가능하다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

고분자인 폴리카프로락톤(PCL, 녹는점: 60℃)을 Freezer mill(SPEX 6750, 미국 CentiPrep Inc.)을 이용하여 마이크로 단위의 입자로 분쇄한 후, 이를 미세입자 분리용 체(micro sieve)를 이용하여 크기별로 아래와 같이 분리된 불균일한 형태를 가지는 고분자 입자를 얻었다. 50㎛ < d < 100㎛, 100㎛ < d < 200㎛, 200㎛ < d < 300㎛, 300㎛ < d < 425㎛, 425㎛ < d < 500 ㎛, 여기서 d는 고분자 입자의 평균직경이다. 위와 같이 4개 분포의 크기로 분리된 4 종류의 고분자 입자 각각과 플루로닉 F127를 17.5 중량%로 포함하는 졸상의 고분자 매트릭스 수용액에 1 : 50 중량비로 혼합(4℃), 및 고분자 입자를 고분자 매트릭스인 플루로닉 F127 내부에 분산시켜서 고분자 입자가 분산된 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 4개 만들었다. 상기 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 상온(25℃) 에서 1 시간 동안 방치하여 겔상으로 유도하였다. 이때, 졸-겔 상전이 온도(LCST, lower critical solution temperature)는 대략 25℃(도 4)로서, 각각의 고분자 입자들이 상기 겔상의 고분자 매트릭스 수용액에 독립적으로 분산되어 균일하게 분포하게 된다. 이렇게 제조된 고분자 입자가 분산된 겔상의 고분자 매트릭스 수용액을 PCL의 용융점 이상의 온도인 65℃로 예열된 항온조에서 30분간 위치시켰다. 그 다음 상기 겔상의 매트릭스 수용액을 65℃에서 보관하는 동안, 고분자 입자인 PCL 입자들이 겔상의 고분자 매트릭스 내부에서 용융과 동시에 주변 입자와의 접촉없이 열역학적으로 안정한 구형으로 변하게 된다. 상기 용융 및 구형화과정 후, 상기 겔상의 고분자 매트릭스 수용액을 1 시간 동안 상온에서 식히고, 4℃에서 겔상의 고분자 매트릭스를 재졸화시켰다. 24시간 동안 4℃의 물로 세척하여 고분자 매트릭스인 플로로닉 F127 매트릭스를 완전히 제거하였다. 제거 후, 남은 PCL 구형입자를 상온의 진공오븐에서 하루 동안 건조하여 균일한 입자크기를 가지는 PCL 구형입자를 얻었다.

실시예 2

고분자인 폴리카프로락톤(PCL, 녹는점:60℃)을 Freezer mill(SPEX 6750, 미국 CentiPrep Inc.)을 이용하여 마이크로 단위의 입자로 분쇄한 후, 이를 미세입자 분리용 체(micro sieve)를 이용하여 크기별로 아래와 같이 분리된 불균일한 형태를 가지는 고분자 입자를 얻었다. 50㎛ < d < 100㎛, 100㎛ < d < 200㎛, 200㎛ < d < 300㎛, 300㎛ < d < 425㎛, 425㎛ < d < 500 ㎛, 여기서 d는 고분자 입자의 평균직경이다.

일정한 크기로 분리된 각각의 고분자 입자와 알긴산 1 중량% 및 CaSO₄ 0.4 중량% 함유한 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 1 : 50 중량비로 혼합(상온), 및 고분자 입자가 분산된 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 4개 만들었다. 상기 졸 상의 고분자 매트릭스 수용액을 상온에서 약 2시간 동안 방치하여 알긴산을 겔상으로 유도하였다. 겔화된 고분자 매트릭스를 PCL의 용융점 이상의 온도인 65 ℃로 예열된 항온조에서 30 분간 위치시켰다. 상기 겔상의 고분자 입자-매트릭스 수용액의 PCL 입자를 용융 및 구형화시킨 후, 수용액을 1 시간 동안 상온에서 식히고, 24 시간 동안 2 중량%의 소디움시드레이트 (sodium citrate) 수용액에서 겔상을 재졸화시키고, 이를 물로 세척하였다. 제조된 PCL 구형입자를 상온의 진공오븐에서 하루 동안 건조하여 PCL 구형입자 얻었다.

실시예 3 ~ 4

실시예 3 ~ 4를 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 고분자 입자로서, 실시예 3은 폴리하이드록시발러릭에시드(용융점 53℃)를 60℃로 예열된 항온조를 이용하여 구형입자를 제조하였고, 실시예 4는 생분해성 고분자가 아닌 폴리비닐부티랄(용융점 49℃)을 55 ℃로 예열된 항온조를 이용하여 구형입자를 제조하였다.

실시예 5 ~ 6

실시예 5 ~ 6은 상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 고분자 입자로서, 실시예 6은 폴리하이드록시발러릭에시드(용융점 53℃)를 60 ℃로 예열된 항온조를 이용하여 구형입자를 제조하였고, 실시예 6은 생분해성 고분자가 아닌 폴리비닐부티랄(용융점 49℃)을 55℃로 예열된 항온조를 이용하여 구형입자를 제조하였다.

실시예 7

실시예 1과 동일하게 실시하되, 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스를 플로로닉 F127와 플로로닉 F68이 7:3 중량비를 갖는 것을 사용하였으며, 상기 중량비를 갖는 고분자 매트릭스를 33 중량% 함유한 겔상의 고분자 매트릭스 수용액에 실시예 1과 동일한 고분자 입자를 혼합하여 실시하였고, 대략 25℃ 정도에서 졸상의 고분자 매트릭스가 겔상으로 변화하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일한 폴리카프로락톤(PCL)을 사용하되, 기존의 제조 방법인 상분리법을 이용하여 구형입자를 제조하였다 [Oh et al., Biomaterials, 27, 1936 (2006)]. PCL과 계면활성제인 트윈 80 그리고 Pluronic F127 매트릭스를 일정 비율[PCL:Pluronic F127:Tween 80=1:4:5 중량비)로 혼합하여 130 ℃로 가열, 교반, 냉각, 세척하고, 미세입자 분리용 체 (micro sieve)를 이용하여 크기별로 분리하여 고분자 구형입자를 얻었다.

실험예 1-1 ~ 7-4 및 비교실험예 1-1 ~ 1-4

고분자 구형입자의 크기 분포 실험

상기 실시예 및 비교예의 분쇄된 입자 및 제조된 구형입자 형태를 전자주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰하였으며, 그 결과를 도 2와 3에 나타내었으며, 이들 의 입자크기 및 분포도를 아래 표 1에 나타내었다. 이때, 분쇄된 고분자 입자 및 구형입자의 형태와 직경은 전자주사현미경 측정 및 측정된 사진의 이미지 분석 프로그램 이용하여 측정하였다.

본 발명의 실시예에 대한 실험예 결과인 상기 표 1을 통해 얻고자 하는 크기의 불규칙한 형태의 고분자 입자를 사용하여 본 발명의 제조방법으로 구형입자를 제조하면, 90 % 이상의 높은 수득율로 얻고자 하는 크기의 구형입자를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 기존 제조방법으로 제조된 구형입자인 비교예 1의 경우, 수득율이 20 % 이하로서 매우 낮음을 확인할 수 있다.

제조예 및 실험예 8

졸-겔 상전이 온도확인 실험

온도에 의한 졸-겔 상전이를 갖는 고분자 매트릭스의 상전이 온도를 확인하기 위하여, 플루로닉 F-127 및 플루로닉 F-68가 10 : 0 ~ 0 : 10 중량비를 갖는 고분자 매트릭스를 20 중량%, 25 중량%, 30 중량%, 35 중량%, 40 중량% 및 45 중량%로 함유하는 졸-겔 상전이 고분자 매트릭스를 제조하여, 상전이 온도를 확인하는 실험을 하였고, 그 결과는 도 4에 나타내었다.

본 발명의 고분자 구형입자 제조방법은 기존의 고분자 구형입자 제조방법과는 달리 인체 독성을 나타내는 유기용매를 전혀 사용하지 않는 장점이 있으며, 얻고자 하는 크기의 고분자 구형입자를 높은 수득율로 제조가 가능하다. 이러한 본 발명의 제조방법으로 제조된 고분자 구형입자는 화학분야, 전기, 전자 분야 등 뿐만 아니라, 특히 인공피부, 인공연골, 골 충진제, 성형 보형물 등을 제조하는 조직공학 분야에 폭 넓은 응용이 가능하다.

도 1은 불규칙한 형태의 고분자 입자로부터 균일한 형태의 구형입자를 형성시키는 본 발명의 대표 모식도이다.

도 2는 실시예 1에서 사용한 고분자 입자 및 실시예 1에서 제조된 구형입자의 전자현미경 사진으로서, (A)는 불균일한 형태를 갖는 고분자 입자를 나타내며, (B)는 제조된 구형입자 의 전자현미경 사진이다.

도 3은 실험예 1-1 ~ 실험예 1-4에 의해 제조된 구형입자를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 고분자 입자의 크기에 따라 구형입자의 크기가 조절됨을 보여주는 결과이다.

도 4는 실험예 10에서 실험한 고분자 매트릭스의 농도 및 그 고분자 구성비에 따른 졸-겔 상전이 온도변화를 나타낸 그래프이다.

Claims

불균일한 형태의 고분자 입자와 졸상의 고분자 매트릭스 수용액을 1 : 10 ~ 100 중량비로 혼합하여 졸상의 고분자 매트리스 내에 고분자 입자를 분산시키는 제 1 단계;

상기 고분자 입자가 내부에 분산된 졸상의 고분자 매트릭스를 겔화시키는 제 2 단계;

상기 겔화된 고분자 매트릭스 내부에 분산된 고분자 입자를 용융시켜서, 불규칙한 형태의 고분자 입자를 구형화시키는 제 3 단계; 및

상기 구형화된 고분자 입자가 내부에 분산된 겔화된 고분자 매트릭스를 재졸화(용액화)시키는 제 4 단계; 및

상기 재졸화된 고분자 매트릭스로부터 고분자 구형입자를 분리 및 건조시키는 제 5 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 고분자 입자는 전도성 또는 비전도성 고분자; 금속성 또는 비금속성 고분자; 또는 생분해성 고분자;인 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 중량평균분자량이 1,000 g/mol ~ 1,000,000 g/mol 이고, 락틱산, 글리콜산, 카프로락톤, 다이옥산온, 하이드록시부티릭산, 하이드록시발러릭산, 포스포에스터 및 에틸렌 옥사이드 중에서 선택된 단종을 중합시킨 단일 중합체 또는 2 종 이상을 중합시킨 공중합체인 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 불규칙한 형태의 고분자 입자는 평균직경이 0.1 ㎛ ~ 3,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 고분자 매트릭스는 중량평균분자량 1,000 g/mol ~ 1,000,000 g/mol이며, 온도 또는 가교에 의하여 졸-겔 상전이 되는 고분자 매트릭스인 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 온도에 의하여 졸-겔 상전이 되는 고분자 매트릭스는 중량평균분자량 1,000 ~ 500,000 g/mol인 고분자 매트릭스이고, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 포함하는 고분자 매트릭스인 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자를 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단계의 고분자 매트릭스 수용액은 온도에 의하여 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스를 1 중량% ~ 50 중량% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 가교에 의하여 졸-겔 상전이 되는 고분자 매트릭스 수용액의 고분자 매트릭스는 중량평균분자량 10,000 g/mol ~ 1,000,000 g/mol이고, 상기 고분자 매트릭스는 알긴산, 하이알룬산, 카르복시메틸셀룰로우스 및 덱스트란 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 포함하는 고분자 매트릭스인 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 가교에 의하여 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스 수용액은 가교에 의한 졸-겔 상전이가 되는 고분자 매트릭스 0.1 중량% ~ 10 중량% 및 가교제 0.01 중량% ~ 20 중량%를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 9 항에 있어서, 상기 가교제는

Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 양이온; 또는

키토산(chitosan), 글루타르알데히드(glutaraldehyde), 포르말린(formalin) 및 폴리-엘-라이신(poly-L-lysine) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 것;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 고분자 입자의 용융시키는 온도는 고분자 입자의 용융점 보다 5℃ ~ 20℃ 높게 유지시키는 것을 특징으로 하는 고분자 구형입자의 제조방법.